MEMS熱式風速風向傳感器的信號調理及智能控制.pdf

1、氣象檢測與人們的日常生活息息相關，并在環(huán)境監(jiān)測、工農生產等許多領域起著非常重要的作用。MEMS風速風向傳感器可以同時測量風速和風向，具有比較高的可靠性和低成本，能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)的風杯和風向標。本文從系統(tǒng)角度出發(fā)，從風速風向測量的基礎開始研究，重點分析從外界風場到測量風場、芯片溫度場、測量電路的風場數(shù)據(jù)傳遞全過程，通過優(yōu)化流體外殼、芯片版圖以及電路系統(tǒng)明顯提升了傳感器的性能。
　　 本文將風速風向的測量分為三個過程：外界風場進入傳感器

2、外殼在芯片附近形成測量風場；測量風場作用于芯片附近的溫度場形成新的測量溫度場；電路系統(tǒng)獲取測量溫度場的溫差和加熱電壓信息處理為測量風速和風向。這三個過程也可以看成是外界風場信息傳遞的過程，在外界風場、測量風場和測量溫度場相互轉化的過程中，風速和風向信息將產生系統(tǒng)誤差，如何優(yōu)化傳感器來減小系統(tǒng)誤差是本文的目的。
　　 在測量風場的研究過程中，首先確定了風速風向的可測條件：風速一一對應、風向一一對應及層流性；其次確定了影響測量風場的

3、兩大類因素：外界風場和外殼結構，然后通過Ansys模擬分析主要因素對測量風場的影響，根據(jù)可測條件確定了外殼結構參數(shù)；最后完成傳感器外殼的結構設計、外觀設計、裝配設計以及防水設計。
　　 在測量溫度場的研究中，首先分析了測量風場與測量溫度場的關系；其次分析了溫度場測量風速風向存在偏差的成因，提出了溫度場設計思路：溫度場均衡和測量點均衡，并給出了相應的解決方案；最后對溫度場均衡進行了版圖設計，通過實驗獲得并分析了測量結果，驗證了測量

4、溫度場的設計思路。
　　 在電路系統(tǒng)的研究中，發(fā)現(xiàn)雙模式加熱電路存在的一系列無法克服的問題，同時根據(jù)新外殼和新版圖調整了電路系統(tǒng)，采用恒溫差加熱模式，加熱電壓用于測量風速，上下游溫差用于測量風向。新的傳感器完全克服了雙模式加熱傳感器存在風速風向無法同時測量、風速風向測量不準確、可靠性差、功耗大等一系列問題，明顯地提升了傳感器的性能。
　　 本文的風速風向傳感器系統(tǒng)經過全方位的性能測試，顯示出較大的性能提升，為本實驗室的M